JP2012239946A

JP2012239946A - 濾過器

Info

Publication number: JP2012239946A
Application number: JP2011109995A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Nukina; 康之貫名
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2011-05-17
Filing date: 2011-05-17
Publication date: 2012-12-10
Anticipated expiration: 2031-05-17
Also published as: JP5887476B2

Abstract

【課題】分子状に溶解する被濾過物を捕捉除去する高精度濾過と、濾渣排出の自動化によるメンテナンスフリーの両立。
【解決手段】クーロン力でアシストされた濾過により、濾材目開きよりもはるかに小さな分子状溶解物質までを補足、濾別し、濾材をばらして逆洗することにより目詰まりによる濾材交換なくメンテナンスフリーが達成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、水あるいは液体の精製浄化用途に供される、濾過器に関するものである。

重層した濾材の間隙に、粒状物質を補足する濾過に、砂濾過、積層濾過、糸巻きフィルターなどがある。砂濾過は濾材が粒状で３元形状のもの、積層濾過は濾材が板状で２次元形状のもの、糸巻きフィルターは濾材が線状で１次元形状の濾過である。いずれの濾過も濾材の間隙を開いて、補足した濾渣を脱離させ洗い流す、逆洗が可能であり、この意味で濾材の目詰まりなく繰り返し使用でき、濾材交換のメンテナンスが不要な方式である。

重層濾過方式では、確実に補足できるのは濾材間隙寸法より大きな粒子性物質であり、濾材間隙寸法より小さな径の粒子は、確率的に濾材表面に付着して補足されるのであって、確実性なく除去率も低い。粒子性固体より小さいコロイド分散する物質、あるいはさらに小さい溶解した高分子性物質に対しては、ほぼ無力である。

一方では、濾過層が薄い板状である膜濾過がある。濾布、濾紙、精密濾過膜、限外濾過膜、ナノ濾過膜、逆浸透膜がある。濾布、濾紙は通常１０μｍ以上の粒子性物質の濾過に、精密濾過膜は目開きに応じて１００ｎｍ〜１０μｍ程度の粒子性物質の濾過に、限外濾過膜は１０ｎｍ以下のコロイドあるいは溶解した高分子性物質の濾過に適用される。逆浸透膜は、理想的には、水あるいは溶媒のみが通過し、水分子より大きな全ての溶質分子の通過を阻止する濾過である。

これらの膜濾過は、その目開きに応じた高度の水の精製浄化能力を有するものであるが、一方では、必ず目詰まりを起こし濾材の交換が必要なメンテナンスの必要な濾過法である。逆洗は、濾過の順方向とは逆の方向に水を流すという意味では、可能であるが、濾材をばらばらにして洗いこむことができないために、濾渣を排出して再生する意味では、極めて不十分であり、必ず目詰まりを起こす。その目詰まりの解除再生法は、高温あるいは高圧下で強酸、強アルカリあるいは強酸化剤を作用させて洗浄することになり、多くの種類の濾材がこの再生に耐えずに濾材交換となる。また、強い条件下での洗浄再生を、通常使用の濾過システム内に組み込むことはできるが、装置が複雑に高度になる上に、再生装置自体に薬剤の供給、廃液の排出などのメンテナンスを必要とし、自動運転できるメンテナンスフリー機器にはならない。従って、濾材の再生は、濾過器や濾過システムから取り外した外部で行われるのが通常であり、濾材再生のメンテナンスの必要な機器である。

濾過形式の中には、粒子などの被濾過物の移動力と補足力を補った複合濾過がある。活性炭粒子を濾材とした濾過は、活性炭の大きな内部表面に対する吸着が補足力となっており、内部吸着面への物質移動は濃度拡散である。粒状や繊維状のイオン交換体を濾材とした濾過は、補足力がイオン交換体内部の固定乖離基と被濾過物の乖離基の間のクーロン力によるイオン吸着が補足力であり、吸着面への物質移動は濃度拡散で賄われる。このような、吸着で補足力を補った複合濾過の形式は濾材の目開きよりもはるかに小さな分子やイオンまでも濾別することができる、高精度の濾過である。しかしながら、吸着には必ず限界である飽和吸着量が存在する。飽和吸着に至った濾材は、再生しない限り濾過性能を発揮できず、再生のメンテナンスまたは濾材交換のメンテナンスが発生する。

複合濾過の特殊な例が、特公平８−２１０に公開されている。この濾過器は、濾過層の両側に電極を置き、直流または交流を印加することで、粒子表面の界面電気二重層に起因するゼータ電位を中和し、本来の粒子が持つ分子間力（ファンデルワールス力）による凝
集を促進して粒子径を大きくし、比較的大きな目開きの濾材でも補足濾別できるようにしたものである。逆洗の記述はあるが、濾過の順方向とは逆の方向に水を流すという意味であり、濾材の間隙を開いて、濾材を洗いこんで濾渣を脱離させて再生する意味では、不完全であり、必ず目詰まりを起こす構成になっている。

特公平８−２１０号公報

「水道施設設計指針」、水道施設設計指針改定委員会著、２０００年３月「浄水技術ガイドライン」、浄水技術ガイドライン作成委員会著、２０００年５月「造水技術ハンドブック」、造水技術ハンドブック編集企画委員会編、２００４年１１月

これらの従来技術の問題点は、逆洗ができ自動化したメンテナンスフリーの運転のできる濾過法は高精度にならず、高精度の濾過法はメンテナンスフリーにならないところにある。これに対し、本発明では、高精度の濾過とメンテナンスフリーの両立を目的とする。

この目的に対し、本発明では、交流電場の中にイオン交換樹脂濾材を置き、被濾過物の濾材表面への物質移動と、濾材表面への補足にクーロン力を用いて促進して高精度の濾過を行い、補足した被濾過物を濾渣として濾材層内に蓄積し、濾材間を開いて濾材を洗いこんで濾材の逆洗再生を行うものである。

さらに詳細に述べると、被濾過物はイオン性の粒子、イオン性のコロイド、イオン性の高分子、イオン性の低分子ではあるがイオン吸着による濃縮により飽和溶解度を上回り溶解性に問題のあるイオン種、である。交流電場を生成するために対向する電極を設置し、電源から交流を印加する。イオン交換樹脂を電極間に積層して濾材とし、濾材間隙に被濾過物を含有する水・液体を通過させる。この間に、被濾過物イオンには、クーロン力が働き、電場に従って泳動（電気泳動）して濾材表面に到達する。被濾過物とイオン交換樹脂の電荷符号が逆の場合、被濾過物イオンは一旦イオン交換樹脂にイオン吸着して、イオン交換樹脂上に濃縮される。しかしながら、次の瞬間、電場は交番するので、脱離する（電気再生）が、直ぐには再溶解または分散しないために、イオン交換樹脂表面に留まり、濾別され水中から除去される。このように、イオン交換樹脂は、短時間の吸着、再生を繰り返しながら動作するものであって、イオンをそれ以上吸着補足できないという飽和吸着の概念は無い。

このようにして補足された被濾過物は、イオン交換樹脂濾材の間隙に蓄積され、やがて間隙は埋まり、水が流れ難くなるので、このときには、電源を切り電場を除き、イオン交換樹脂の間隙を開き、動力を加えて洗い込み、水流と共に洗い流して濾材表面の再生を行うところの、逆洗操作を行う。

以上概略を述べたように本発明の濾過器は、高精度の濾過とメンテナンスフリーを両立するものである。

本発明２の実施の形態における濾過器の構成動作を示す図本発明３の実施の形態における濾過器の構成を示す図本発明１の実施の形態における被濾過物の除去原理を示す模式図本発明５の実施の形態における被濾過物の除去原理を示す模式図本発明６の実施の形態における被濾過物の除去原理を示す模式図本発明８の実施の形態における被濾過物の除去原理を示す模式図

第１の発明は、積層したイオン交換膜を濾材とし、交番電圧を印加しながら通水して水中の粒子性物質、高分子性溶解物質、溶解度の低いイオン性の低分子性溶解物質を濾別し、濾過層の層間を開いて逆洗し粒子性物質、高分子性溶解物質、溶解度の低い低分子性溶解物質を濾渣として排出して、高精度の濾過とメンテナンスフリーを両立する濾過器である。

第２の発明は、第１の発明の濾材であるイオン交換膜を平面輪環状として筒状に積層し、電極は筒状イオン交換膜層を挟んで設置し、積層したイオン交換膜の層間の解放と密着を行う動作器とを備えた濾過器であって、高精度の濾過とメンテナンスフリーを両立する濾過器である。

第３の発明は、第１の発明の濾材であるイオン交換膜を平面帯状のイオン交換膜を筒状に巻き取った形状とし、電極を筒状イオン交換膜層の中心と筒状イオン交換膜層外側とに対向設置し、筒状イオン交換膜層外側電極と平面帯状のイオン交換膜を巻き戻してイオン交換膜層間を開放して通水する濾過器であって、高精度の濾過とメンテナンスフリーを両立する濾過器である。

第４の発明は、第１、第２、第３の発明のイオン交換膜に塩基性陰イオン交換膜を用いる濾過器であって、特に陰イオン性の被濾過物に対し高い濾過性能が得られる。

第５の発明は、第１、第２、第３の発明のイオン交換膜に酸性陽イオン交換膜を用いる濾過器であって、特に陽イオン性の被濾過物に対し高い濾過性能が得られる。

第６の発明は、第２の発明のイオン交換膜に塩基性陰イオン交換膜と酸性陽イオン交換膜とを交互重層する濾過器であって、陽イオン性と陰イオン性の両方の被濾過物に対し均等な濾過性能が得られる。

第７の発明は、第３の発明のイオン交換膜に塩基性陰イオン交換膜と酸性陽イオン交換膜の２枚を重ねて用いる濾過器であって、陽イオン性と陰イオン性の両方の被濾過物に対し均等な濾過性能が得られる。

第８の発明は、第１、第２、第３の発明のイオン交換膜にバイポーライオン交換膜を用いる濾過器であって、陽イオン性と陰イオン性の両方の被濾過物に対し均等な濾過性能が得られる。

（実施の形態１）
図１は、本発明２の実施の形態における濾過器の構成動作を表し、図２は本発明３の実施の形態における濾過器の構成を表す。図の詳細な説明は、実施の形態２および実施の形態３に譲り、ここでは共通する事項について述べる。

図１の濾過器、図２の濾過器ともに濾材は２次元構造を有するイオン交換膜であり、イオン交換膜が積層されて濾過層を構成し、濾過層内のイオン交換膜の間隙を、被濾過物を含有する水が通過する際に、イオン交換膜表面に被濾過物が補足され除去される。補足された被濾過物はイオン交換膜の間隙に蓄積される。終には、間隙が詰まり流量低下を起こし、あるいは蓄積しきれない被濾過物が流出する（破過する）ので、そのときには、イオン交換膜の膜間間隙を開いて、水を逆流させてイオン交換膜表面を洗いこみ、イオン交換膜表面の被濾過物付着面の再生を行う。

次に、被濾過物の除去原理について図３の模式図をもとに述べる。図に示すように、両電極間には交流を印加する。電極間に挟まれた２枚（単純化して表示）の塩基性陽イオン交換膜の濾過層とイオン交換膜の間隙をなす水の層には電場が形成される。この水の層には、水とともに、被濾過物である陰イオン性の粒子と低分子可溶性の陽イオン、低分子可溶性の陰イオンが流入してくる。

まず図中ａでは、陰イオンに対して電場から下向きのクーロン力が働き、陽イオンに対しては上向けクーロン力が働き電気泳動する。その中で、被濾過物である陰イオン性の粒子は、塩基性陰イオン交換膜の表面に至り、イオン交換基との間のクーロン力の結合であるイオン結合、イオン吸着をする。しかし、大きな陰イオン性粒子である被濾過物は、表面吸着するに留まり、イオン交換膜の内部に入ることができない。これに対し、低分子可溶性の陰イオンは、イオン交換膜の内部まで進入することができる。一方の低分子可溶性の陽イオンは、塩基性陰イオン交換膜との間にイオン結合をすることができず、膜内に進入することもできないので、水の層の中に留まる。

次に図中ｂでは、電圧が交番し、新たな水とともに、被濾過物である陰イオン性の粒子と低分子可溶性の陽イオン、低分子可溶性の陰イオンが流入してくる。と共に、図中ａで水の層の中に留まった低分子可溶性の陽イオンは、流出して失われる。表面にイオン結合していた被濾過物の陰イオンのイオン結合は切れるが、粒子が大きいために拡散が遅く、水の流れに乗って流下しない。新たな水とともに流れ込んだ、被濾過物である陰イオン性の粒子と低分子可溶性の陽イオン、低分子可溶性の陰イオンは、図中ａとは方向が逆の同じ動作をする。

これを繰り返すと図中ｃのように、流下していかない被濾過物の陰イオンは、塩基性陰イオン交換膜の表面に層になって蓄積する。また、水の層の中は、可溶性陰イオンが可溶性陽イオンに対して過剰となり、液性が酸性に傾く。このために、被濾過物の陰イオンは酸乖離できずに、溶解性あるいは分散性が低下して不溶化し、さらに粒子表面に残りやすく補足され易くなる。

以上が、本発明の基本的な補足原理である。これには、いくつかのバリエーションがある。まず、図３では、塩基性陰イオン交換膜と陰イオン性の粒子性物質の関係として述べたが、酸性陽イオン交換膜と陽イオン性の粒子性物質であっても同様であって、一般に逆イオン性の場合に濾過性能は高性能となる。また、粒子性物質という用語は、明確な固液界面を有した固体物質の意味であるが、溶解した高分子でも同様の挙動を示し補足され除去され、本発明の対象とする被濾過物である。コロイド分散した物質、会合して見かけ分子量を増した物質、も同様に扱える。

これらに付随して、陰イオン性と陽イオン性の両方の被濾過物を単一のイオン交換樹脂膜の濾過層で除去することは、困難である。塩基性陰イオン交換膜と酸性陽イオン交換膜の混合設置が必要となる。ただし、陰イオン性の被濾過物と陽イオン性の両方の被濾過物が同じ水中に混合されている場合は、両者は電気的に引き合って会合粒子を作り、粒子径が大きくなっており、どちらか一方の単一のイオン交換膜で効率的に除去できる。また、
自然界の陸水系で水道水の水源に利用される水では、粒子性から高分子性の物質としては陰イオン性ばかりで陽イオン性が極めて少なく、あっても会合を起こして取水される前に会合凝集して河川湖沼などの水底に先に沈殿している。さらに、天然物に非イオン性の粒子から高分子性の物質が無いわけではないが、通常微生物分解を受けて残らない。そのため、塩基性陰イオン交換膜の単一のイオン交換樹脂膜の濾過層で高度な浄化ができる。

低分子のイオンの場合は、乖離溶解度の低いイオン種だけが濾過の対象になる。強酸、強アルカリといった常時乖離する強電解質イオン種は補足除去できず、弱酸、弱アルカリの弱電解質は、非乖離型が不溶性の酸やアルカリまたは不溶性塩を形成する場合のみ除去可能である。塩基性陰イオン交換膜では、水の層が酸性に傾き、酸性陽イオン交換膜では、水の層はアルカリ性に傾くので、弱酸は塩基性陰イオン交換膜を用いた濾過器で非乖離となって析出して濾別され、弱アルカリは酸性陽イオン交換膜を用いた濾過器で非乖離となって析出して濾別される。

電気的には高電場で、高性能である。交流周波数については、一般的に直流に近い低周波数で、高性能であり、一般的な正弦波を出力する電源では難しく、直流をスイッチングした方形波の交流を用いるのが容易である。例外的に、低分子のイオン種の場合だけが、低い周波数の濾過性能が低く、１０ヘルツ以上の交流であまり変化の無い、フラットな性能を示す。低分子のイオン種の場合は、イオン交換膜の間の水の層のｐＨによる不溶性析出が濾過性能に優先的に効いており、イオン交換膜と水の層の間で速いイオンのやり取りをする必要がある。

交流に代えて、直流を印加した場合、濾過性能は一時的に交流を用いるよりも高い。しかしながら、粒子性物質イオンでイオン交換膜の表面乖離基が飽和吸着した時点で、濾過性能が急激に低下する。これを回復するにはイオン交換膜のイオン交換基の再生を行う必要がある。イオン交換膜のイオン交換基の再生には、強酸、強アルカリでの薬剤洗浄か、電気再生が一般的な方法である。薬剤供給や工程の煩雑な薬剤洗浄をさけ、メンテナンスフリーが可能な電気再生を用いるとすると、表面に飽和吸着した粒子性物質に対し、脱離方向の吸着時とは逆の電場をかけることになる。これは、直流をスイッチングして交番させた交流を印加したに等しい。従って、連続的な濾過を行うならば、交流が適切である。このように、本発明の濾過器は、速いピッチで電気吸着と電気再生とを繰り返すイオン交換カラムであって、補足イオンをイオン交換カラムの液層のデッドボリュームに蓄積するものと考えることができる。外見上、イオン交換カラムの飽和吸着に対する再生の工程はなく、一般濾過器に見られる、蓄積した濾渣の排出を行う逆洗工程があり、自動逆洗の効く濾過形式を用いることにより、メンテナンスフリーの運用ができる。

なお、先行技術文献である特公平８−２１０は、粒子表面の界面電気二重層に起因するゼータ電位を中和し、本来の粒子が持つ分子間力（ファンデルワールス力）による凝集を促進して粒子径を大きくし、比較的大きな目開きの濾材でも補足濾別できるようにしたものとしており、また、交流周波数は高い方が、濾過性能が高いとしており、本発明の濾過器とは原理的に全く別物であると考えられる。

（実施の形態２）
図１は、本発明２の実施の形態における濾過器の構成を表した断面図である。図中ａは濾過時の状態を示し、ｂは逆洗時の状態を示す。図中１はドーナツ型に裁断し積層したイオン交換膜を濾材としており、濾芯管２に内接する。電極３および４でイオン交換膜を挟み、外部電源（図示せず）を接続して交流を印加しながら濾過を行う。濾過時、水は入水口７より濾過器内に入り、積層したイオン交換膜の間隙を流れて濾過作用を受け、浄化されて濾芯管２に集まり、出水口８より取り出される。濾過によりイオン交換膜の間隙に蓄積した濾渣は、逆洗により排出する。逆洗時は、電極に接続した外部電源を切り、ソレノ
イド６を使ってシャフト５を引き抜いてイオン交換膜の層間を開き、水を出水口８から濾芯管２、イオン交換膜１の層間間隙を経て、入水口７へと水を逆流させ、イオン交換膜１の間隙に蓄積した濾渣を洗い流して廃棄する。

この間の濾過原理については、実施の形態１に述べた通りであって、高精度の濾過ができる。さらに、人手を経ずに自動的な逆洗、濾材の間隙を開いての濾材の洗いこみができ、メンテナンスフリーの濾渣排出により濾材の補足面の再生が行える。

この実施形態の濾過器は、流速を上げて強い洗いこみを行っても、濾材の流失が無い。さらに、シャフト５を繰り返し上下させて、濾材であるイオン交換膜表面に強い濾渣の剥離動力を加えることができ、逆洗効率を高めることができる。

（実施の形態３）
図２は、本発明３の実施の形態における濾過器の構成を表した断面図および展開図である。図中ａは縦断面を示し、ｂは横断面を示し、ｃは内部のイオン交換膜１１、センター電極１２、外側電極１３、電極取り出し棒１４、の接続を示した展開図である。

イオン交換膜１１、センター電極１２、外側電極１３、電極取り出し棒１４、は接続され、センター電極１２の周りに巻き取られてケーシング１７に収まる。濾過時、外部電源（図示せず）を外側電極１３に接続された電極取り出し棒１４とセンター電極１２とに接続して交流を印加しながら濾過を行う。水は入水口１５からはいり巻き取られたイオン交換膜１１の層間を流れて濾過され、浄化されて出水口１６より取り出される。

濾過によりイオン交換膜の間隙に蓄積した濾渣は、逆洗により排出する。逆洗時は、電極に接続した外部電源を切り、センター電極１２をイオン交換膜１１の帯の巻き取り方向に捩じることにより、ケーシング１７に近い側のイオン交換膜の間隙が広がり、巻き戻し方向に捩じることにより、センター電極１２に近い側のイオン交換膜の間隙が広がり、この操作を繰り返しながら、出水口１６よりイオン交換膜１１の層間間隙を経て、入水口７に向かって水を逆流させ、イオン交換膜１１の間隙に蓄積した濾渣を洗い流して廃棄する。

この実施形態の濾過器は、流速を上げて強い洗いこみを行っても、濾材の流失が無い。さらに、センター電極１２の捩じり方向を繰り返し反転させて、濾材であるイオン交換膜表面に強い濾渣の剥離動力を加えることができ、逆洗効率を高めることができる。

（実施の形態４）
本発明第４の実施形態を図３の模式図をもとに述べる。第４の発明は、第１、第２、第３の発明のイオン交換膜に塩基性陰イオン交換膜を用いる濾過器であって、特に陰イオン性の被濾過物に対し高い濾過性能が得られる。その除去原理については、すでに実施の形態１の中で図３の模式図を用いて詳述したところである。

図３に示すように、両電極間には交流を印加する。電極間に挟まれた２枚（単純化して表示）の塩基性陽イオン交換膜の濾過層とイオン交換膜の間隙をなす水の層には電場が形成される。この水の層には、水とともに、被濾過物である陰イオン性の粒子と低分子可溶性の陽イオン、低分子可溶性の陰イオンが流入してくる。

粒子性物質という用語は、明確な固液界面を有した固体物質の意味であるが、溶解した高分子でも同様の挙動を示し補足され除去され、本発明の対象とする被濾過物である。コロイド分散した物質、会合して見かけ分子量を増した物質、も同様に扱える。

また、自然界の陸水系で水道水の水源に利用される水では、粒子性から高分子性の物質としては陰イオン性ばかりで陽イオン性が極めて少なく、あっても会合を起こして取水される前に会合凝集して河川湖沼などの水底に先に沈殿している。さらに、天然物に非イオン性の粒子から高分子性の物質が無いわけではないが、通常微生物分解を受けて残らない。そのため、塩基性陰イオン交換膜の単一のイオン交換樹脂膜の濾過層で高度な浄化ができる。

低分子のイオンの場合は、乖離溶解度の低い陰イオンだけが濾過の対象になる。常時乖離する強酸性のイオン種は補足除去できず、弱酸の弱電解質は、非乖離型が不溶性の酸または不溶性塩を形成する場合のみ除去可能である。塩基性陰イオン交換膜では、水の層が酸性に傾くので、弱酸は塩基性陰イオン交換膜を用いた濾過器で非乖離となって析出して濾別される。

本発明第４の塩基性イオン交換膜で補足しえる物質は非常に多岐にわたる。その中で天然の水道水の原料となる水の中には、生物系の陰イオン性の粒子として、細菌類、ウイルス類、真菌類、原生動物類、藻類、原虫類などがある。無機系の陰イオン性の粒子性物質に、ケイ酸、ケイ酸塩鉱物である多くの粘土、土壌鉱物がある。可溶性の陰イオン性の有機性高分子としては、フミン酸、フルボ酸、生物体の残骸である、多糖類、タンパク、核酸、糖脂質、脂肪酸、がある。また、国地域により問題となる、陰イオン性の低分子性物質にヒ酸がある。重金属類は通常陽イオン性であるが、これらは溶解度が極めて低くフリーのイオンとしては溶解していない。フミン酸のような有機物と錯体を形成して可溶化している。このため、フミン酸を除去に伴って、化溶性の重金属も除去できる。これらは既存の水道システムに採用されている処理法である、アルミニウム塩中和凝集・濾過で除去
できる水質項目はすべて塩基性イオン交換膜で補足しえる。

（実施の形態５）
本発明第５の実施形態を図４の模式図をもとに述べる。第５の発明は、第１、第２、第３の発明のイオン交換膜に酸性陽イオン交換膜を用いる濾過器であって、特に陽イオン性の被濾過物に対し高い濾過性能が得られる。

図４に示すように、両電極間には交流を印加する。電極間に挟まれた２枚（単純化して表示）の酸性陽イオン交換膜の濾過層とイオン交換膜の間隙をなす水の層には電場が形成される。この水の層には、水とともに、被濾過物である陽イオン性の粒子と低分子可溶性の陽イオン、低分子可溶性の陰イオンが流入してくる。

まず図中ａでは、陽イオンに対して電場から下向きのクーロン力が働き、陰イオンに対しては上向けクーロン力が働き電気泳動する。その中で、被濾過物である陽イオン性の粒子は、酸性陽イオン交換膜の表面に至り、イオン交換基との間のクーロン力の結合であるイオン結合、イオン吸着をする。しかし、大きな陽イオン性粒子である被濾過物は、表面吸着するに留まり、イオン交換膜の内部に入ることができない。これに対し、低分子可溶性の陽イオンは、イオン交換膜の内部まで進入することができる。一方の低分子可溶性の陰イオンは、酸性陽イオン交換膜との間にイオン結合をすることができず、膜内に進入することもできないので、水の層の中に留まる。

次に図中ｂでは、電圧が交番し、新たな水とともに、被濾過物である陽イオン性の粒子と低分子可溶性の陽イオン、低分子可溶性の陰イオンが流入してくる。と共に、図中ａで水の層の中に留まった低分子可溶性陰イオンは、流出して失われる。表面にイオン結合していた被濾過物の陽イオンのイオン結合は切れるが、粒子が大きいために拡散が遅く、水の流れに乗って流下しない。新たな水とともに流れ込んだ、被濾過物である陽イオン性の粒子と低分子可溶性の陽イオン、低分子可溶性の陰イオンは、図中ａとは方向が逆の同じ動作をする。

これを繰り返すと図中ｃのように、流下していかない被濾過物の陰イオンは、酸性陽イオン交換膜の表面に層になって蓄積する。また、水の層の中は、可溶性陽イオンが可溶性陰イオンに対して過剰となり、液性がアルカリ性に傾く。このために、被濾過物の陽イオンは塩基乖離できずに、溶解性あるいは分散性が低下して不溶化し、さらに粒子表面に残りやすく補足され易くなる。

低分子のイオンの場合は、乖離溶解度の低い陽イオンだけが濾過の対象になる。常時乖離する強酸性のイオン種は補足除去できず、弱酸の弱電解質は、非乖離型が不溶性の酸または不溶性塩を形成する場合のみ除去可能である。酸性陽イオン交換膜では、水の層がアルカリ性に傾くので、弱塩基は酸性陽イオン交換膜を用いた濾過器で非乖離となって析出して濾別される。

（実施の形態６）
本発明第６の実施形態を図５の模式図をもとに述べる。第６の発明は第２の発明のイオン交換膜に塩基性陰イオン交換膜と酸性陽イオン交換膜とを交互重層する濾過器であって、陽イオン性と陰イオン性の両方の被濾過物に対し均等な濾過性能が得られる。

図５に示すように、両電極間には交流を印加する。電極間に挟まれた塩基性陰イオン交換膜と酸性陽イオン交換膜（単純化して表示）の塩基性陰イオン交換膜と酸性陽イオン交換膜の濾過層と両イオン交換膜の間隙をなす水の層には電場が形成される。この水の層には、水とともに、被濾過物である陽イオン性の粒子、陰イオン性の粒子と、低分子可溶性の陽イオン、低分子可溶性の陰イオンが流入してくる。

まず図中ａでは、陽イオンに対して電場から上向きのクーロン力が働き、陰イオンに対しては下向けクーロン力が働き電気泳動する。その中で、被濾過物である陽イオン性の粒子は、酸性陽イオン交換膜の表面に至り、イオン交換基との間のクーロン力の結合であるイオン結合、イオン吸着をする。また、被濾過物である陰イオン性の粒子は、塩基性陰イオン交換膜の表面に至り、イオン交換基との間のクーロン力の結合であるイオン結合、イオン吸着をする。しかし、大きな陽イオン性粒子である被濾過物、大きな陰イオン性粒子である被濾過物は、表面吸着するに留まり、イオン交換膜の内部に入ることができない。これに対し、低分子可溶性の陽イオンは、低分子可溶性の陰イオンはイオン交換膜の内部まで進入することができる。

次に図中ｂでは、電圧が交番し、新たな水とともに、被濾過物である陽イオン性の粒子と陰イオン性の粒子、低分子可溶性の陽イオンと陰イオン、が流入してくる。と共に、表面にイオン結合していた被濾過物の陽イオンの陰イオンのイオン結合は切れるが、粒子が大きいために拡散が遅く、水の流れに乗って流下しない。低分子可溶性の陽イオンと陰イオンは、脱離して、水の層に戻る。新たな水と共に流れ込んだ、被濾過物である陽イオン性と陰イオン性の粒子、低分子可溶性の陽イオンと陰イオンは、図中ａとは方向が逆方向に泳動するが、同イオン性の交換膜にはイオン吸着し進入することができない。このため、水の層の中を下流側に流下して、電圧交番時に、下流側での図ａの動作により補足される。従って、本発明第６では、被濾過物のイオン性粒子の補足効率は、本発明第４、本発明第５の単一イオン交換膜を用いる場合に比較して、電圧の一交番あたり２分の１である。

これを繰り返すと図中ｃのように、流下していかない被濾過物の陽イオンと陰イオンは、両イオン交換膜の表面に層になって蓄積する。ただし、水の層の中の、可溶性陽イオンと可溶性陰イオンの割合はほぼ等しく保たれ、ｐＨは維持される。このために、ｐＨ析出は殆ど寄与しない。

被濾過物が低分子のイオンの場合は、ｐＨは維持され、ｐＨ析出は殆ど起こらないので除去することができない。

（実施の形態７）
第７の発明は、第３の発明の濾過器のイオン交換膜に塩基性陰イオン交換膜と酸性陽イオン交換膜の２枚を重ねて用いる濾過器であって、陽イオン性と陰イオン性の両方の被濾過物に対し均等な濾過性能が得られる。

本発明は第３の発明の図２の内、イオン交換膜１１の部分を、塩基性陰イオン交換膜と酸性陽イオン交換膜の２枚を重ねて用いるものであって、これをセンター電極１２の周りに巻き取ると、塩基性陰イオン交換膜と酸性陽イオン交換膜の交互積層に等しい状態となる。その動作原理については、実施の形態６にすでに述べた。

（実施の形態８）
本発明第８の実施形態を図６の模式図をもとに述べる。第８の発明は、第２、第３の発明のイオン交換膜にバイポーライオン交換膜を用いる濾過器であって、陽イオン性と陰イオン性の両方の被濾過物に対し均等な濾過性能が得られる。

バイポーライオン交換膜は、酸性陽イオン交換膜と塩基性陰イオン交換膜の張り合わせイオン交換膜である。図６に示すように、両電極間には交流を印加する。電極間に挟まれた２枚のバイポーライオン交換膜（単純化して表示）の間隙をなす水の層には電場が形成される。この水の層には、水とともに、被濾過物である陽イオン性の粒子、陰イオン性の粒子と、低分子可溶性の陽イオン、低分子可溶性の陰イオンが流入してくる。

まず図中ａでは、陽イオンに対して電場から上向きのクーロン力が働き、陰イオンに対しては下向けクーロン力が働き電気泳動する。その中で、被濾過物である陽イオン性の粒子は、バイポーラ膜の片側酸性陽イオン交換膜の表面に至り、イオン交換基との間のクーロン力の結合であるイオン結合イオン吸着をする。また、被濾過物である陰イオン性の粒子は、バイポーラ膜の片側塩基性陰イオン交換膜の表面に至り、イオン交換基との間のクーロン力の結合であるイオン結合イオン吸着をする。しかし、大きな陽イオン性粒子である被濾過物、大きな陰イオン性粒子である被濾過物は、表面吸着するに留まり、イオン交換膜の内部に入ることができない。これに対し、低分子可溶性の陽イオンは、低分子可溶性の陰イオンはイオン交換膜の内部まで浸入することができる。

粒子性物質という用語は、明確な固液界面を有した固体物質の意味であるが、溶解した高分子でも同様の挙動を示し補足され除去され、本発明の対象とする被濾過物である。コロイド分散した物質、会合して見かけ分子量を増した物質、も同様に扱える。
被濾過物が低分子のイオンの場合は、ｐＨは維持され、ｐＨ析出は殆ど起こらないので除去することができない。

上水道、下水道、水リサイクル、工業用水処理、工業排水処理、水中からの有価物回収、家庭用飲用及び生活用水処理などに活用可能性がある。

１イオン交換膜
２濾芯管
３電極
４電極
５シャフト
６ソレノイド
７入水口
８出水口
１１イオン交換膜
１２センター電極
１３外側電極
１４電極取り出し棒
１５入水口
１６出水口
１７ケーシング

Claims

積層したイオン交換膜を濾材とし、交番電圧を印加しながら通水して水中の粒子性物質、高分子性溶解物質、溶解度の低いイオン性の低分子性溶解物質を濾別し、濾過層の層間を開いて逆洗し粒子性物質、高分子性溶解物質、溶解度の低い低分子性溶解物質を濾渣として排出する濾過器。
複数の平面輪環状のイオン交換膜を筒状に積層したイオン交換膜層と、イオン交換膜層を挟んで設置された交番電圧を印加する電極と、積層したイオン交換膜の層間の解放と密着を行う動作器とを備え、イオン交換膜の層間に粒子性物質、高分子性溶解物質、溶解度の低いイオン性の低分子性溶解物質を捕捉し、イオン交換膜の層間を開放して通水し、層間に捕捉した粒子性物質を洗浄し排出する請求項１記載の濾過器。
平面帯状のイオン交換膜を筒状に巻き取ったイオン交換膜層と、筒状イオン交換膜層を挟んで、筒状イオン交換膜層の中心と筒状イオン交換膜層外側とに対向設置された交番電圧を印加する電極とを有し、イオン交換膜の層間に粒子性物質、高分子性溶解物質、溶解度の低いイオン性の低分子性溶解物質を捕捉し、筒状イオン交換膜層外側電極と平面帯状のイオン交換膜を巻き戻してイオン交換膜層間を開放して通水し、層間に捕捉した粒子性物質、高分子性溶解物質、溶解度の低いイオン性の低分子性溶解物質を洗浄し排出する請求項１記載の濾過器。
イオン交換膜に塩基性陰イオン交換膜を用いる請求項１、２、３いずれか１項記載の濾過器。
イオン交換膜に酸性陽イオン交換膜を用いる請求項１、２、３いずれか１項記載の濾過器。
イオン交換膜に塩基性陰イオン交換膜と酸性陽イオン交換膜とを交互重層する請求項２記載の濾過器。
イオン交換膜に塩基性陰イオン交換膜と酸性陽イオン交換膜の２枚を重ねて用いる請求項３記載の濾過器。
イオン交換膜にバイポーライオン交換膜を用いる請求項２または３記載の濾過器。